JP2005019221A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタにより該燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【0004】
この種の燃料電池では、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、新たに供給される燃料ガスに混合して前記燃料電池に供給する燃料ガス循環型燃料電池システムが採用されている。燃料ガスの消費量が節約されるとともに、水素利用率の向上が図られるからである。
【0005】
ところで、燃料ガス循環型燃料電池システムでは、燃料電池内で生成された生成水が、凝縮水やミスト等の液体の状態で燃料ガス循環系内を循環している。このため、液状の生成水が燃料電池のアノード側電極に付着してしまい、燃料ガスが前記アノード側電極に供給されないおそれがある。
【0006】
そこで、例えば、特許文献1には、燃料オフガス中に含まれる水分が、新たに供給された燃料ガスとの混合状態でガス管路中に凝縮することを防止することが可能な燃料電池発電装置が開示されている。具体的には、図6に示すように、リン酸型燃料電池1は、燃料極1aと空気極1bとの間に冷却板1cが介装されており、この燃料電池1には燃料ガス供給系2、反応空気供給系3及び冷却水循環系4が接続されている。
【0007】
燃料ガス供給系2は、燃料ガス供給回路2a、燃料オフガスリサイクル回路2b及び混合ガス回路2cを有するとともに、これらの合流する地点にエゼクタポンプ5が接続されている。冷却水循環系4は、水蒸気分離器4a及び冷却水循環ポンプ6を備えている。
【0008】
混合ガス回路2cには、熱交換器として機能するガス加熱器7が配設されている。このガス加熱器7は、混合ガス回路2cの管路に巻き付けて配管した加熱コイル7aを備え、この加熱コイル7aには、燃料電池1の冷却水循環系4に備えた水蒸気分離器4aから抽出された蒸気が熱媒として流されている。
【0009】
このような構成において、燃料電池1の運転時には、水蒸気分離器4aには水と水蒸気が貯留されており、この水蒸気分離器4aからガス加熱器7の加熱コイル7aに供給される水蒸気と、混合ガス回路2cを通流する燃料混合ガスとの熱交換によって、前記燃料混合ガスが加熱昇温される。このため、燃料混合ガスの相対湿度が低下し、前記燃料混合ガス中に含まれる水分の凝縮が起き難くなった状態で燃料電池1の運転が遂行され、ガス配管中に凝縮水が溜まることがない、としている。
【0010】
【特許文献1】
特開平8−321316号公報(段落[0003]、[0020]〜[0021]、図3)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献1では、運転温度が約180℃に維持されるため、燃料電池1に供給される燃料オフガス中にミストが含まれていても、このミストは高温の前記燃料電池1によって蒸発し易い。しかも、特許文献1は、リン酸型燃料電池1に関するものであり、電解質を加湿する必要がない。
【0012】
一方、固体高分子型燃料電池では、水分をキャリアとして水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に透過させるため、固体高分子電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。しかしながら、特許文献1は、燃料オフガス中に含まれる水分を除去するだけでよく、前記特許文献1の技術を固体高分子型燃料電池に、直接、採用することができないという問題がある。
【0013】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、効率的な発電を遂行することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタにより該燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備えている。そして、エゼクタの下流と燃料電池との間には、排ガスに含まれて該エゼクタを通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構が配設されている。
【0015】
エゼクタは、燃料ガス供給流路を流れる新たな燃料ガスと、燃料電池から排出される排ガスとを混合するとともに、前記排ガスに含まれる生成水をミスト状にする。さらに、ミスト状の生成水は、エゼクタの下流に配設されている水蒸気化機構を介して水蒸気化される。
【0016】
このため、ミスト状の生成水が燃料電池内に供給されてアノード側電極に付着することがなく、水蒸気化された生成水が前記アノード側電極を良好に透過する。従って、燃料ガスをアノード側電極に確実に供給することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。しかも、水蒸気化された生成水を加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水の有効利用が図られる。
【0017】
又、本発明の請求項2に係る燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路を備え、前記酸化剤ガス供給流路は、水蒸気化機構を構成する熱交換器を通って前記燃料電池の酸化剤ガス入口に接続されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路には、圧縮された前記酸化剤ガスを熱源として前記熱交換器に送るコンプレッサが設けられている。
【0018】
コンプレッサは、酸化剤ガス、例えば、空気を圧縮して燃料電池に供給するため、圧縮された空気は、例えば、固体高分子型燃料電池の運転温度よりも高温になっている。そこで、高温の空気(圧縮空気)を熱源として熱交換器に供給することにより、生成水の水蒸気化と酸化剤ガスである高温の空気の冷却とが行われる。このため、熱交換器と加湿器とが統合されて燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。しかも、コンプレッサの圧縮作用下に、空気を迅速に加熱することができ、熱交換器のレスポンスが有効に向上し、燃料電池システムの運転直後に生成水を確実に水蒸気化させることが可能になる。
【0019】
さらに、本発明の請求項3に係る燃料電池システムでは、燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路を備え、前記冷却媒体循環流路は、前記燃料電池の冷却媒体出口から排出される冷却媒体を、水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能である。これにより、燃料電池から排出される高温の冷却媒体を熱源として熱交換器に供給することにより、生成水の水蒸気化と前記高温の冷却媒体の冷却とが行われる。従って、熱交換器と加湿器とが統合されて燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
【0020】
さらに又、本発明の請求項4に係る燃料電池システムでは、燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路から排ガスを廃棄するためのパージ流路を備え、前記パージ流路は、前記燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能である。このため、通常、車両外部に廃棄している排ガスを燃焼させて生成水を水蒸気化させる熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られる。
【0021】
又、本発明の請求項5に係る燃料電池システムでは、燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する固体高分子型燃料電池である。従って、水蒸気化された生成水により電解質膜・電極構造体を良好に加湿することが可能になり、専用の加湿器を不要にすることができる。これにより、燃料電池システム全体を経済的且つコンパクトに構成することが可能になる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック12を備える。この燃料電池スタック12は、複数の発電セル14を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート16a、16bが配置されており、前記エンドプレート16a、16bが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【0023】
発電セル14は、例えば、固体高分子電解質膜18aの両側にアノード側電極18bとカソード側電極18cとを配置した電解質膜・電極構造体18と、前記電解質膜・電極構造体18を挟持する一対のセパレータ20、22とを備える。アノード側電極18bには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極18cには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【0024】
エンドプレート16aには、発電セル14に水素ガスを供給するための水素ガス入口24aと、前記発電セル14に空気を供給するための空気入口(酸化剤ガス入口)26aとが設けられる。エンドプレート16bには、発電セル14から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック12から排出するための水素ガス出口24bと、前記発電セル14から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池スタック12から排出するための空気出口26bとが設けられる。
【0025】
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12に水素ガスを供給する燃料ガス供給流路28と、前記燃料電池スタック12から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路28の途上に戻して該燃料電池スタック12に供給するための燃料ガス循環流路30と、前記燃料電池スタック12に空気を供給する酸化剤ガス供給流路31とを備える。
【0026】
燃料ガス供給流路28には、高圧水素を貯留する水素タンク32と、前記水素タンク32から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ34と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック12に供給するとともに、燃料ガス循環流路30から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック12に戻すためのエゼクタ36とが配設される。
【0027】
エゼクタ36の下流と燃料電池スタック12との間には、排ガスに含まれて前記エゼクタ36を通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構、例えば、熱交換器38が配設される。熱交換器38では、燃料ガス循環流路30から供給される排ガスを含む混合水素ガスを被加熱媒体とする一方、酸化剤ガス供給流路31から供給される圧縮された空気を加熱媒体(熱源)とし、この圧縮された空気により前記排ガスが加熱される。
【0028】
酸化剤ガス供給流路31には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ(コンプレッサ)40が配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路31は、熱交換器38を介して燃料電池スタック12の空気入口26aに連通する。燃料電池スタック12の空気出口26bには、未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路42が接続される。
【0029】
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
【0030】
図1に示すように、水素タンク32から燃料ガス供給流路28に供給される水素ガスは、レギュレータ34を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ36を通って熱交換器38に供給される。熱交換器38では、後述するように、混合水素ガスが加熱され、この加熱された混合水素ガスは、水素ガス入口24aから各発電セル14に供給される。このため、混合水素ガスは、各発電セル14を構成するアノード側電極18bに沿って移動した後、未使用の水素ガスを含む排ガスが、水素ガス出口24bから燃料ガス循環流路30に排出される。
【0031】
一方、酸化剤ガス供給流路31では、スーパーチャージャ40を介して空気が圧縮され、この圧縮された空気が熱交換器38を通って各発電セル14のカソード側電極28cに供給される。そして、未使用の空気を含む排ガスは、空気出口26bから空気排出流路42に排出される。これにより、各発電セル14では、アノード側電極18bに供給される水素と、カソード側電極18cに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【0032】
燃料ガス循環流路30に排出された排ガスは、エゼクタ36の吸引作用下に、燃料ガス供給流路28の途上に戻される。この場合、図2に示すように、排ガス中に含有する液状の生成水44は、エゼクタ36の吸引によってミスト状の生成水44aになる。さらに、ミスト状の生成水44aは、熱交換器38を通過するとともに、スーパーチャージャ40の作用下に、圧縮された空気が前記熱交換器38に供給される。
【0033】
この空気は、圧縮されることによって相当に高温(例えば、200℃)に昇温されており、熱源として熱交換器38に供給される。このため、熱交換器38に供給された水素ガス及び排ガスを含む混合水素ガスは、被加熱媒体として熱源である高温の空気によって加熱される。従って、ミスト状の生成水44aは、高温の空気と熱交換することによって水蒸気状の生成水44bになり、この水蒸気状の生成水44bが各発電セル14のアノード側電極18bに供給される。
【0034】
これにより、第1の実施形態では、ミスト状の生成水44aが各発電セル14内に供給されてアノード側電極18bに付着することがなく、水蒸気状の生成水44bが前記アノード側電極18bを良好に透過する。従って、水素ガスをアノード側電極18bに確実に供給することができ、各発電セル14は、所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
【0035】
さらに、スーパーチャージャ40により圧縮された空気は、固体高分子型燃料電池である発電セル14の運転温度よりも高温になっている。そこで、高温の空気を熱源として熱交換器38に供給することにより、ミスト状の生成水44aの水蒸気化と、酸化剤ガスである前記高温の空気の冷却とが有効に行われる。
【0036】
このため、専用の加湿器が不要になって熱交換器38と加湿器とが統合され、燃料電池システム10全体を経済的且つ小型に構成することができる。しかも、水蒸気状の生成水44bを加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水44の有効利用が図られるという利点がある。
【0037】
その上、スーパーチャージャ40の圧縮作用下に、空気が迅速に加熱されるため、熱交換器38のレスポンスが有効に向上し、燃料電池システム10の運転直後に生成水を確実に水蒸気化させることが可能になる。
【0038】
図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム60の概略構成図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。又、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【0039】
燃料電池システム60には、エンドプレート16bに発電セル14の冷却を行うための冷却媒体を供給する冷却媒体入口62aが設けられるとともに、エンドプレート16aには、前記発電セル14の冷却を行って高温となっている冷却媒体を排出する冷却媒体出口62bが設けられる。
【0040】
燃料電池システム60は、冷却媒体入口62aと冷却媒体出口62bとを連通し、各発電セル14に沿って冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路64を備える。冷却媒体循環流路64には、冷却媒体を矢印方向に循環させるポンプ66が配設されるとともに、冷却媒体出口62bから排出される比較的高温の冷却媒体が、熱源として熱交換器38に供給される。
【0041】
このように構成される第2の実施形態では、ポンプ66の作用下に、冷却媒体循環流路64に沿って冷却媒体が循環され、この冷却媒体はエンドプレート16bの冷却媒体入口62aから各発電セル14に供給されて前記発電セル14を冷却する。発電セル14を冷却することによって比較的高温となった冷却媒体は、エンドプレート16bの冷却媒体出口62bから熱交換器38に供給される。
【0042】
これにより、燃料電池スタック12から排出される高温の冷却媒体を、熱源として熱交換器38に供給することができ、この熱交換器38に被加熱媒体として供給される排ガス中の生成水は、前記高温の冷却媒体と熱交換を行ってミスト状から水蒸気状に確実に変換された後、燃料電池スタック12に供給される。
【0043】
従って、第2の実施形態では、生成水の水蒸気化と冷却媒体の冷却とが単一の熱交換器38で行われるため、熱交換機能と加湿機能とが統合されて燃料電池システム60全体の小型化が容易に図られる。
【0044】
図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム70の概略構成図である。
【0045】
燃料電池システム70には、燃料ガス循環流路30の途上に三方弁72が設けられ、この三方弁72に前記燃料ガス循環流路30から排ガスを廃棄するためのパージ流路74が接続される。パージ流路74は、排ガスを熱源として熱交換器76に供給する一方、前記熱交換器76には、新たな燃料ガスである水素ガスと排ガスとの混合水素ガスが被加熱媒体として供給される。
【0046】
図5に示すように、熱交換器76は、供給口78と排出口80とを設けるとともに、内部にハニカム構造の複数の触媒82が収容されており、この触媒82に沿って蛇行する通路84が形成される。
【0047】
このように構成される第3の実施形態では、燃料ガス循環流路30を循環する排ガスを外部に廃棄(パージ)する際に、三方弁72が駆動されてこの燃料ガス循環流路30がパージ流路74に連通する。このため、排ガスはパージ流路74を通って熱交換器76の触媒82に供給され、触媒燃焼が惹起される。
【0048】
熱交換器76には、供給口78から水素ガス及び排ガスの混合水素ガスが導入され、前記混合水素ガスが通路84に沿って蛇行しながら排出口80から燃料電池スタック12に供給される。その際、熱交換器76では、触媒82を介してパージ用の排ガスが触媒燃焼されており、この触媒燃焼によって通路84を通る混合水素ガスが加熱される。これにより、混合水素ガス中のミスト成分は、確実に水蒸気化されて燃料電池スタック12に供給される。
【0049】
従って、第3の実施形態では、通常、燃料電池システム70の外部に廃棄される排ガスを燃焼させて生成水の水蒸気化を行うための熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られるという効果が得られる。
【0050】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタが燃料ガス供給流路を流れる新たな燃料ガスと、燃料電池から排出される排ガスとを混合するとともに、前記排ガスに含まれる生成水をミスト状にする。さらに、ミスト状の生成水は、エゼクタの下流に配設されている水蒸気化機構を介して水蒸気化される。
【0051】
このため、ミスト状の生成水が燃料電池内に供給されてアノード側電極に付着することがなく、水蒸気化された生成水が前記アノード側電極を良好に透過する。従って、燃料ガスをアノード側電極に確実に供給することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。しかも、水蒸気化された生成水を加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水の有効利用が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】前記燃料電池システムを構成する熱交換器の説明図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図5】前記燃料電池システムを構成する熱交換器の説明図である。
【図6】特許文献1に係る燃料電池発電装置の概略構成説明図である。
【符号の説明】
10、60、70…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…発電セル 16a、16b…エンドプレート
18a…固体高分子電解質膜 18b…アノード側電極
18c…カソード側電極 20、22…セパレータ
24a…水素ガス入口 24b…水素ガス出口
26a…空気入口 26b…空気出口
28…燃料ガス供給流路 30…燃料ガス循環流路
31…酸化剤ガス供給流路 32…水素タンク
36…エゼクタ 38、76…熱交換器
40…スーパーチャージャ 42…空気排出流路
62a…冷却媒体入口 62b…冷却媒体出口
64…冷却媒体循環流路 72…三方弁
74…パージ流路 82…触媒
84…通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel gas supply channel for supplying fuel gas to a fuel cell, and an exhaust gas containing unused fuel gas discharged from the fuel cell by an ejector provided in the fuel gas supply channel. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel gas circulation channel for returning to the middle of a gas supply channel and supplying the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is sandwiched between separators. is doing. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0003]
In a fuel cell, a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, supplied to an anode-side electrode moves to the cathode-side electrode through an electrolyte membrane that is appropriately humidified and hydrogen is ionized on the electrode catalyst. Electrons generated during the period are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, is supplied to the cathode side electrode, water is generated by the reaction of hydrogen ions, electrons, and oxygen gas at the cathode side electrode.
[0004]
This type of fuel cell employs a fuel gas circulation fuel cell system that mixes exhaust gas containing unused fuel gas discharged from the fuel cell with newly supplied fuel gas and supplies the mixed fuel gas to the fuel cell. ing. This is because the consumption of fuel gas is saved and the hydrogen utilization rate is improved.
[0005]
By the way, in the fuel gas circulation type fuel cell system, the generated water generated in the fuel cell circulates in the fuel gas circulation system in a liquid state such as condensed water or mist. For this reason, liquid produced water may adhere to the anode side electrode of the fuel cell, and fuel gas may not be supplied to the anode side electrode.
[0006]
Therefore, for example, Patent Document 1 discloses a fuel cell power generator capable of preventing moisture contained in the fuel off-gas from condensing in the gas pipeline in a mixed state with the newly supplied fuel gas. Is disclosed. Specifically, as shown in FIG. 6, in the phosphoric acid fuel cell 1, a cooling plate 1c is interposed between a fuel electrode 1a and an air electrode 1b, and fuel gas is supplied to the fuel cell 1. A
[0007]
The fuel
[0008]
A
[0009]
In such a configuration, during operation of the fuel cell 1, water and water vapor are stored in the
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-8-321316 (paragraphs [0003], [0020] to [0021], FIG. 3)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above Patent Document 1, since the operation temperature is maintained at about 180 ° C., even if mist is contained in the fuel off-gas supplied to the fuel cell 1, this mist is generated by the high-temperature fuel cell 1. Evaporates easily. Moreover, Patent Document 1 relates to the phosphoric acid fuel cell 1 and does not require humidification of the electrolyte.
[0012]
On the other hand, in the polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane needs to be appropriately humidified in order to allow hydrogen ions to permeate from the anode side electrode to the cathode side electrode using moisture as a carrier. However, Patent Document 1 only needs to remove moisture contained in the fuel off gas, and there is a problem that the technique of Patent Document 1 cannot be directly applied to the polymer electrolyte fuel cell.
[0013]
The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of performing efficient power generation with a simple and compact configuration.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell system according to claim 1 of the present invention, a fuel cell that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply channel that supplies the fuel gas to the fuel cell, and the fuel cell A fuel gas circulation channel for returning exhaust gas containing unused fuel gas discharged from the fuel gas to the fuel cell by returning it to the middle of the fuel gas supply channel by an ejector provided in the fuel gas supply channel And. A steaming mechanism is provided between the downstream of the ejector and the fuel cell to steam the water contained in the exhaust gas that has passed through the ejector.
[0015]
The ejector mixes new fuel gas flowing through the fuel gas supply channel with exhaust gas discharged from the fuel cell, and makes the generated water contained in the exhaust gas into a mist. Furthermore, the mist-like generated water is steamed through a steaming mechanism disposed downstream of the ejector.
[0016]
For this reason, mist-like produced water is supplied into the fuel cell and does not adhere to the anode side electrode, and the vaporized produced water permeates the anode side electrode well. Therefore, the fuel gas can be reliably supplied to the anode side electrode, and the desired power generation performance can be maintained. Moreover, the steamed product water can be used as the humidified water, and a dedicated humidifier is not required, and the product water is effectively used.
[0017]
In the fuel cell system according to
[0018]
Since the compressor compresses an oxidant gas, for example, air, and supplies it to the fuel cell, the compressed air is at a temperature higher than the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell, for example. Therefore, by supplying high-temperature air (compressed air) as a heat source to the heat exchanger, the generated water is vaporized and the high-temperature air that is the oxidant gas is cooled. For this reason, a heat exchanger and a humidifier are integrated and size reduction of the whole fuel cell system is achieved easily. In addition, air can be heated quickly under the compression action of the compressor, the response of the heat exchanger can be effectively improved, and the generated water can be reliably vaporized immediately after operation of the fuel cell system. .
[0019]
The fuel cell system according to claim 3 of the present invention further includes a cooling medium circulation passage for circulating and supplying a cooling medium to the fuel cell, and the cooling medium circulation passage is discharged from the cooling medium outlet of the fuel cell. The cooling medium can be supplied as a heat source to the heat exchanger constituting the steaming mechanism. Thereby, the high temperature cooling medium discharged from the fuel cell is supplied to the heat exchanger as a heat source, whereby the generated water is vaporized and the high temperature cooling medium is cooled. Therefore, the heat exchanger and the humidifier are integrated, and the entire fuel cell system can be easily downsized.
[0020]
Furthermore, in the fuel cell system according to claim 4 of the present invention, the fuel gas circulation flow path includes a purge flow path for discarding exhaust gas from the fuel gas circulation flow path, and the purge flow path includes the fuel gas circulation path. The exhaust gas discarded from the gas circulation channel can be supplied as a heat source to the heat exchanger constituting the steaming mechanism. For this reason, it is possible to use a heat source that normally burns the exhaust gas discarded outside the vehicle to vaporize the generated water, thereby effectively using the exhaust gas.
[0021]
In the fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a separator, Is a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, it is possible to satisfactorily humidify the electrolyte membrane / electrode structure with the steamed generated water, and a dedicated humidifier can be dispensed with. As a result, the entire fuel cell system can be configured economically and compactly.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The fuel
[0027]
Between the downstream of the
[0028]
The oxidant
[0029]
The operation of the
[0030]
As shown in FIG. 1, the hydrogen gas supplied from the
[0031]
On the other hand, in the oxidant gas
[0032]
The exhaust gas discharged to the fuel gas
[0033]
The air is heated to a considerably high temperature (for example, 200 ° C.) by being compressed, and is supplied to the
[0034]
Thereby, in 1st Embodiment, the mist-like produced
[0035]
Furthermore, the air compressed by the
[0036]
For this reason, a dedicated humidifier is not required, the
[0037]
In addition, since the air is rapidly heated under the compression action of the
[0038]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
In the second embodiment configured as described above, the cooling medium is circulated along the cooling medium
[0042]
Thereby, the high-temperature cooling medium discharged from the
[0043]
Therefore, in the second embodiment, since the water vaporization of the generated water and the cooling of the cooling medium are performed by the
[0044]
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a
[0045]
In the
[0046]
As shown in FIG. 5, the
[0047]
In the third embodiment configured as described above, when the exhaust gas circulating through the fuel
[0048]
A mixed hydrogen gas of hydrogen gas and exhaust gas is introduced into the
[0049]
Therefore, in the third embodiment, the exhaust gas that is normally discarded outside the
[0050]
【The invention's effect】
In the fuel cell system according to the present invention, the ejector mixes new fuel gas flowing through the fuel gas supply channel with the exhaust gas discharged from the fuel cell, and makes the generated water contained in the exhaust gas into a mist. Furthermore, the mist-like generated water is steamed through a steaming mechanism disposed downstream of the ejector.
[0051]
For this reason, mist-like produced water is supplied into the fuel cell and does not adhere to the anode side electrode, and the vaporized produced water permeates the anode side electrode well. Therefore, the fuel gas can be reliably supplied to the anode side electrode, and the desired power generation performance can be maintained. Moreover, the steamed product water can be used as the humidified water, and a dedicated humidifier is not required, and the product water is effectively used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a heat exchanger constituting the fuel cell system.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a heat exchanger constituting the fuel cell system.
6 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell power generator according to Patent Document 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記エゼクタの下流と前記燃料電池との間には、前記排ガスに含まれて該エゼクタを通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構が配設されることを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell that is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate power; a fuel gas supply channel that supplies the fuel gas to the fuel cell; and an exhaust gas that contains unused fuel gas discharged from the fuel cell. A fuel cell system comprising: a fuel gas circulation channel for returning to the fuel gas supply channel and supplying the fuel cell by an ejector provided in the fuel gas supply channel;
A fuel cell system is provided between the downstream of the ejector and the fuel cell, wherein a water vaporization mechanism for vaporizing water contained in the exhaust gas and passing through the ejector is disposed.
前記酸化剤ガス供給流路は、前記水蒸気化機構を構成する熱交換器を通って前記燃料電池の酸化剤ガス入口に接続されるとともに、
前記酸化剤ガス供給流路には、圧縮された前記酸化剤ガスを熱源として前記熱交換器に送るコンプレッサが設けられることを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, further comprising an oxidant gas supply channel for supplying the oxidant gas to the fuel cell,
The oxidant gas supply flow path is connected to an oxidant gas inlet of the fuel cell through a heat exchanger constituting the steaming mechanism,
The fuel cell system, wherein the oxidant gas supply flow path is provided with a compressor that sends the compressed oxidant gas as a heat source to the heat exchanger.
前記冷却媒体循環流路は、前記燃料電池の冷却媒体出口から排出される冷却媒体を、前記水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能であることを特徴とする燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a cooling medium circulation channel that circulates and supplies a cooling medium to the fuel cell.
The fuel cell system, wherein the cooling medium circulation channel can supply a cooling medium discharged from a cooling medium outlet of the fuel cell as a heat source to a heat exchanger constituting the water vaporization mechanism.
前記パージ流路は、該燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、前記水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能であることを特徴とする燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas circulation passage includes a purge passage for discarding exhaust gas from the fuel gas circulation passage.
The fuel cell system, wherein the purge channel is capable of supplying the exhaust gas discarded from the fuel gas circulation channel as a heat source to a heat exchanger constituting the steaming mechanism.
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